Z12075302硫镧掺杂纳米二氧化钛抗菌性研究白宛茹概论

硫镧掺杂纳米二氧化钛的抗菌性能研究摘要纳米TiO2作为一种新型的无机材料，具有很强的光催化活性，因此有很好的抗菌能力，能将大部分有机污染物和细菌、霉菌分解为CO2和H2O 等无害物质。

由于TiO2材料存在较大的禁带宽的特性，许多工作主要着重于降低激发边缘值能量值，以利于在光化学能量的转化过程中利用可见光的部分。

TiO2的禁带宽接近3.1eV，未掺杂的材料其吸收光谱从紫外区到太阳光谱的400nm，这种活性区域只占太阳光总能量的10%。

通过杂质掺杂，可以降低光活的边缘能量，提高太阳光的活性效率。

本文通过溶胶凝胶法制取硫镧共掺纳米TiO2，并通过平板菌落计数法，研究了硫镧掺杂纳米TiO2对金黄色葡萄球菌的抑菌性能，并确定了其最低的抑菌浓度以及紫外光对其抗菌性能的影响。

关键词：硫镧掺杂纳米TiO2，抗菌性，溶胶凝胶法，平板菌落计数法The study of the antibacterial performance for sulfur lanthanum doped nano titanium dioxideABSTRACTNanometer TiO2as a new kind of inorganic material, have very strong photocatalytic activity, therefore has good antibacterial ability, can put most of organic pollutants and bacteria, mould is decomposed into harmless material such as CO2and H2O. Due to the nature of TiO2 materials is forbidden bandwidth, many job mainly focuses on reducing excitation energy edge value, for the use of visible light in the photochemical energy conversion process. The forbidden bandwidth of TiO2is close to 3.1 eV, not doping material its absorption spectrum from ultraviolet to 400 nm in the solar spectrum, the active area 10% of the total energy of the sun. Light can be lowered by impurity doping, living on the edge of the energy, improve the efficiency of the activity of the sun.This article by sol-gel method in sulfur lanthanum doped nanometer TiO2, and through the tablet colony counting method, the research on sulfur lanthanum doped nano TiO2 antibacterial properties for staphylococcus aureus, and the minimum bacteriostasis concentration were determined.KEY WORDS:Sulfur lanthanum doped nanometer TiO2, Bacteriostasis,Sol gel method, Tablet colony counting method目录前言 (1)第1章纳米二氧化钛概述 (2)1.1 纳米二氧化钛的抗菌原理 (2)1.2掺杂类型 (4)1.2.1 稀土掺杂 (5)1.2.2 非金属掺杂 (5)1.2.3非金属与稀土元素掺杂 (6)1.3 掺杂型纳米二氧化钛的制备方法 (6)1.4 本实验研究的目的、内容和意义 (9)第2章硫镧掺杂纳米TiO2抑菌剂的制备 (10)2.1 试剂及主要仪器 (10)2.1.1原料 (10)2.1.2 仪器设备 (10)2.2 硫镧共掺纳米TiO2粉体的制备 (10)2.2.1 实验步骤 (10)2.2.2 材料的形貌分析 (11)第3章硫镧掺杂纳米TiO2的抗菌性能 (13)3.1 药品和仪器 (13)3.1.1 原料 (13)3.1.2 仪器设备 (13)3.2 实验步骤 (13)3.3 结果分析 (15)结论 (17)谢辞 (18)参考文献 (19)外文资料翻译 (24)前言TiO2 的杀菌能力源自于其光催化活性，在紫外光照射下纳米TiO2 表面能提供很多的原子参加光催化反应，具有很强的杀菌能力，能够把大部分有机污染物和细菌、霉菌降解为CO2和H2O等对环境无害的物质，对金黄色葡萄球菌(Staphylococcus)[1]、大肠杆菌(Escherichia coll)、枯草芽孢杆菌(Bacillus Subtills)[2] 等细菌有较强的抑制作用，在抗菌塑料、抗菌涂料等消毒杀菌方面有着广阔的应用前景[3]。

研究表明TiO2具有超亲水性和光催化性等特点,用其制成的纳米TiO2光催化剂具有性能稳定、无二次污染、无生物毒性和使用范围广等显著优点。

而且,其主要接收激起波长小于387nm(紫外波长),而这类波长的光在太阳光中占3%-5%，如若可以或许对TiO2进行部分改性，从而操纵太阳光为光源，则可以下降体系的运行成本，在一些贫乏电力的地域或军事野营方面将有很是庞大的意义。

镧掺杂到二氧化钛中能进一步提高光催化活性, 而活性提高的首要原因是掺镧制止了晶型的改变和晶粒的长大, 使TiO2中比表面积急剧增大, 反应物在催化剂的表面吸附加强而至。

S元素的掺杂分别在430nm 处和531nm 处显示了两个光吸收峰，可见S元素掺杂是一种有效的使光催化剂在可见光光谱范围有光催化响应的方法。

近年来对于单离子掺杂改性TiO2的研究很多，几乎所有离子掺杂也都有人研究过，但硫镧元素掺杂改性TiO2的研究报道还比较少，特别是针对双元素掺杂改性TiO2提高抗菌性能的研究很少。

本文对硫镧掺杂型TiO2的制备方法和抗菌性能进行了研究。

通过硫和镧作为掺杂剂,采用溶胶凝胶法制备掺硫镧的TiO2纳米粉体。

第1章纳米二氧化钛概述1.1 纳米二氧化钛的抗菌原理1985年，Matsunaga[4]等初次报道了二氧化钛光催化灭菌用在三种不同的细菌种类之后，就有了修多关于二氧化钛用在微生物灭活方面的报告，TiO2抗菌性钻研方面，主要是在影响人类身体健康和我们生活环境产生的细菌和霉菌，和一些能引起各种工业材料、食物、化妆品、医药品等的降解、变质、恶化、腐烂，带来比较大的经济损失的微生物。

包括细菌，大肠杆菌[5]，嗜酸乳杆菌[6]，粘质沙雷菌[7]，绿脓杆菌[8]，假单胞菌[9]，短小芽孢杆菌[10]等；病毒，如噬菌体MS2 的[11]，脆弱拟杆菌噬菌体[12]和脊髓灰质炎病毒[13]；藻类如小球藻[14]和真菌如酿酒酵母酵母[15]。

很好的证明了二氧化钛的抗菌性的大范围应用。

首要因素在于二氧化钛灭菌主要根据的活性氧基团，它不具有专一性。

研究表明: TiO2除了广谱抗菌性以外，其抗菌性能主要体现在安全性，杀菌彻底和长效抗菌上Morikawa等[16]实验表明，在可见光不断照射100天以后，TiO2仍具备光催化活性。

TiO2光催化灭菌机理是通过近年来大量的研究初步认定的。

许多研究结果都有一个相同点：光照射TiO2先破坏它的细胞壁和细胞膜组织，之后跟细胞内的组成成分发生反应，导致它的功能失去活性致使细胞死亡。

Klaus等[17]对不一样种类的菌种进行的试验发现，它的钝化速率与细胞壁的结构也有关系。

一般我们可以认定TiO2在光照激活反应中，生成的OH·和O2-可用来攻击有机物的不饱和键，使细菌中含有的蛋白质发生变异并且让多肽链与糖类解聚，因此就可以杀死细菌。

最近的科研发现的二氧化钛光催化行动促进过氧化的磷脂成分脂质膜，诱导细胞膜紊乱，其次由作为呼吸活动和细胞基本功能丧失死亡。

Maness等[18]提出的油脂过氧化机理，认定细胞死亡过程细胞壁先被破坏，之后是细胞质膜被破坏，从而造成细胞膜功能发生紊乱，细胞内物质流出，导致细胞死亡。

研究表明，在一样的条件下，二氧化钛杀菌过程中，羟基自由基的量和大肠杆菌的失活性有很好的线性关系，证明羟基自由基是导致细胞丢失活性的最主要的氧化基团。

Blake等[19]发现有低浓度亚铁离子的时候，抗菌活性变强差不多200倍，因为亚铁离子促进了羟基自由基的生成。

将在光照条件下，TiO2颗粒处理过的细菌溶液中加入H2O2去除剂——过氧化氢酶，发现细菌的生存率大为提高，说明在灭菌过程中H2O2起杀菌作用。

而Ireland等[20]报道了在羟基自由基存在时，抗菌材料并没表现出明显的杀菌效果。

Kühn等[21] 则认为，羟基不能穿透细胞膜，H2O2基团起到主要灭菌作用；但是H2O2存在的量少，它与其它氧化基团共同作用才能更好的杀菌。

认为激活二氧化钛后产生的羟基自由基攻击细胞壁导致细胞壁破损Kikuchi等人[22]建议，羟基自由基是不是负责杀菌作用唯一的物种，过氧化氢对超氧自由基协同作用是非常重要的。

光激发二氧化钛杀菌原理图如下：事实上，由于细菌不是属于单体有机物大分子,光催化杀菌效应是细菌和TiO2间广泛的相互作用的结果，而不只是像一般有机物那样的简单表面反应。

但是由于二氧化钛产生的羟基自由基的寿命很短，且不能通过细胞膜，由其直接攻击细胞并破坏细胞结构会比较困难，所以TiO2光催化杀菌效应被公认为是活性羟基(·OH)与其它活性氧类物质(O2，H2O2等)协同作用的结果。

细胞膜产生分裂之后，也许就会导致细胞灭亡。

二氧化钛还可与细胞内的各种功能单位发生生化反应，再将细胞内各种物质催化降解，达到彻底杀灭细菌。

Maness等[23]报道了大肠杆菌失去活性是因为细胞壁的油脂膜中的不饱和磷脂的过氧化，这样就可采用丙醛形成作为参数来表述磷脂过氧化而产生的膜破坏；Saito等[24]用链球菌做实验对象，用钾离子溶出作为标准来判断细胞膜是否破裂，第一次提出细胞死亡与细胞壁破裂、细胞膜渗透性增强有关的观点。

Houghton等[25] 报道，在二氧化钛光催化下，观察到钾离子的迅速泄漏，以及蛋白质和RNA的从细胞内向外缓慢释放，最终导致细胞壁分解和完整的细胞死亡。